上次介紹了前級VS後級VS綜擴,已經忘記的朋友可以回去複習一下:今天就搞懂擴大機原理--揚聲器最強大的後盾(三);今天的主題是擴大機A、B、AB、D分類原理解析,根據不同的放大工作原理來分類,此次將介紹常見的後級擴大機類別,依序為ClassA類、ClassB類、ClassAB類及ClassD類。 在介紹各類型後級擴大機之前,先簡單說明理想放大元件的特性,如果放大倍數為10倍,輸入1會得到10、輸入2會得到20,不管輸入訊號多少,輸出訊號都會是輸入訊號的固定倍數(如圖a)。不過圖a是理想化狀態,實上電晶體的放大特性曲線只有在中間區塊會呈現線性,其餘區塊則不然。若是輸入的訊號未能落入最佳線性區,而是分佈在其他區塊,就會造成訊號失真。
(如圖b)。此外,一個電晶體一次只能處理正半波或者負半波的訊號,若需要一次處理完整的聲音訊號,則需要兩個電晶體、或者施予直流偏壓,讓所有訊號的電壓值大於零(例如A類擴大機)。接下來將依照擴大機不同的工作原理分成A類、B類、AB類與D類,依序說明。
Class A類Class A類訊號可分為直流訊號以及交流訊號。所謂的交流訊號,是指訊號會隨著時間不同而變化,反之,直流訊號不會隨著時間不同而改變,維持固定的電壓或電流值(如圖c)。擴大機所接收的音頻訊號,都是由正到負、再由負到正不斷循環的交流訊號(如圖d)。A類擴大機只使用單一電晶體放大完整的音頻訊號,由於一個電晶體一次只能放大正半波或負半波的訊號,為了使音頻訊號落入正訊號的範圍內以及最佳線性區,會在輸入訊號加入一直流偏壓,以達線性放大的目標,這個直流偏壓稱為工作點(Operating Point)。舉例來說:若電晶體的最佳線性區間是1V-3V,那麼,當輸入一大小為正負1V的交流訊號時,可加入2V的直流偏壓,使其訊號完全落在最佳線性區以及正訊號的範圍內(如圖e),以達到使用單一電晶體完成線性放大的目標,此類的放大方式即稱為A類放大。
但是當輸入的音頻訊號為0V時,由於一直施予2V直流偏壓的緣故,放大器持續地接收到2V的輸入訊號,所以還是必須對其持續進行放大的動作,如此一來便產生無用的功率損耗。因此,理論上A類放大擁有極佳的線性放大特性,不過,實際上電能利用率低於25%(一般僅為10%-20%)。例如供應100W電力,最後真正輸出到揚聲器最多也只有25W左右,其餘的75W通通消耗掉,因為轉換效率差、高耗能並同時產生高廢熱。而熱又是所有電子元件的大敵,當溫度上升後,所有的特性又會改變,因此原先預期的諸多優點,又會有相當程度的抵減。所以印象中的A類擴大機都很大台、很重、很燙,通常需要配裝大型的散熱片來輔助散熱。
Class B類為了解決A類放大器效率過低的問題,於是出現了B類放大器,利用兩個電晶體各自處理正半波與負半波的訊號。其一負責輸出正電壓,另一則是輸出負電壓(如圖f)。把正半週的訊號交由正電壓的元件來放大,而負半週的訊號就由負電壓的元件放大。當正半週的元件在工作時,負半週的元件就處在關閉的狀態;反之當負半週的元件在工作時,正半週的元件就關閉中。
以B類放大而言,因為電晶體有導通電壓的特性,意思是指輸入訊號必須高於導通電壓,電晶體才能正常工作,所以當輸入訊號小於電晶體的導通電壓時,加上又沒有像A類放大線路一樣施予直流偏壓的情形之下,此時電晶體是沒有輸出的,這也就產生大家常聽到的「交越失真」或「交叉失真」(如圖g)。除了交越失真之外,另一個容易出現的問題是,正負兩個放大元件對稱性的問題。由於無法找到完美對稱的放大元件,也造成了其他形式的失真。不過B類放大正因為沒有直流偏壓,所以當輸入訊號為0時,便沒有輸出。因此B類的能量利用率會比A類高出許多,所以B類放大器是許多省電型裝置的最愛。
Class AB類Class AB類既然A類線性佳、效率差、耗費能量;B類效率高、線性較差,於是有人便提出折衷方案:利用B類放大為主架構,並在其中加入A類放大適量的直流偏壓,來避免因電晶體「導通電壓」的特性,造成B類放大中,最為人所詬病的「交越失真」。
在架構上既有B類放大的特性,又加入了A類直流偏壓的觀念,因而稱為「AB類放大」。雖然解決了「交越失真」,但是正負兩個放大器是否對稱性的問題,造成許多玩家出現「AB類放大失真度大於A類的刻板觀念」,其實這方面的問題,可利用「負回授技術」獲得改善。不過,也因為加入了適量的偏壓,使得靜態消耗功率上不如B類放大來得省電,但相較於A類放大還是有明顯的改善,因此市面上大部分的消費型音響,多採用AB類進行放大。
Class D類進入21世紀後,各種攜帶式的電子設備成為一個趨勢,從作為通訊工 具的手機、到娛樂設備的MP3播放器等等,已成為不可或缺的用品。這 些攜帶式的設備擁有兩個共通點:都具有音頻輸出的功能,因此需要一個 音頻放大器,並且都依靠電池供電。在這樣的需求下,D類放大器應運而 生。D類最大的特點就是能夠在保持最低的失真情況下得到最高的效率。 A類、B類、AB類的放大原理都是將波形直接放大,利用電晶體的 「線性放大」特性。D類放大的原理則是使用脈寬調變技術(PWM, Pulse Width Modulation),利用電晶體的「開關」特性,對電源實行高 頻的開關控制,然後再加上低通濾波器,得到想要的放大訊號。 舉例來說,常見的投影機可以看到光與暗,並不是同時具有好幾顆燈 泡來做切換亮度,而是利用開關燈泡的時間差來產生光與暗的差別,擴 大機的原理也是一樣的(如圖h)。紅色曲線為聲音原本的訊號,先藉由 產生固定頻率的藍色鋸齒波來取樣紅色曲線的波形,產生出不同寬度的 綠色方塊狀的曲線(稱為Pulse脈衝),藉由這些寬度不一的脈衝來決定 電子元件開啟的時間長短,進而複製並放大原始訊號的波形。 另外,根據測試得知,D類放大器的效率極高可大於80%以上。除此 之外,令人注目的是,在固定的輸出功率上,D類設計比一般傳統B類重 量更輕、工作溫度更低。
小小知識家:什麼是負回授? 為了減少失真並使放大器穩定運作,會將放大器的輸出信號按一定 比例送回輸入端,放大器可依送回來的輸出訊號做調整,達到改善失 真的目的,此過程即為負回授(Negative Feedback)。通過負回授, 放大器的性能,例如增益的穩定性、線性、頻率響應等可以得到改 善。此外,製造過程以及使用環境所造成的器件參數偏差對放大器性 能的影響,可以通過引入負回授緩解。由於以上優點,負回授放大器 在許多放大電路以及控制系統中有著廣泛的應用。但必須注意的是, 不是只有B類、AB類放大才使用負回授,A類、D類放大中為求降低 失真,也可發現負回授的應用。但不當使用,也常是音響設備的音樂 性劣化主因。
該如何挑選擴大機?看完這麼多篇之後,相信大家對擴大機都有了基本的認識,不過單就放大原理並不能代表擴大機的音質與品質。擴大機聲音的好壞,還是只能用「聽」的,但是「聆聽」本身又很主觀,而且受到其他器材及環境的影響很大,建議可根據聲音好壞、規格特性、元件等級、內裝電路工整、外型美觀精緻、自己喜愛的廠牌或預算等綜合性條件來挑選擴大機。
體驗人體工學 音響入門誌 Soundbody 作者 德川音箱為減少消費者盲目摸索的過程,提供音響入門者的科普知識與音響設備資訊整合,所規畫的一系列音響入門雜誌。每期都結合了專業嚴謹的音響科學小知識與富含童趣感的音響玩具。一套共三集,分別是揚聲器、藍牙擴大機、DAC耳機擴大機,內容循序漸進,淺顯易讀,幫助您更輕鬆地進入音響世界。 最近擴大機的分類,名目可愈來愈多了,甚至有些擴大機製造廠商,對產品總喜歡強調具有 A、B 類可選擇輸出的裝置,早期大家比較熟悉的有 A 類及 B 類擴大機,而後相繼出現的有 C、D 兩類,最近我們又常聽到一種最新的 G 類擴大機出現,類似這些不同類型所代表的特別意義是什麼?他們除了表示各擴大機的電器工作情況不一樣以外還指示些什麼?以下介紹的方式, A、B、C、D、G 各類都具有獨立性的,讀者可單獨看,也可作為連續性來看,主要在使各位讀者能領略到各類的主要特性。
放大器的工作分類是由產生放大作用的主動裝置之電流導通的週期與輸入訊號週期之比較而決定,而在音頻放大電路里,根據電晶體的工作點不同主要可分為 A 類放大與 B 類放大,當然這也是指比較流行的二類放大,尤其 B 類廣用於功率輸出放大電路上,不過這裡還是按照 A、B、C 的順序,先談A類放大。
在聲頻放大里為了經濟及提高功率輸出起見,一般實用的輸出級均接成推挽電路,及兩功率晶體管的輸出均接在同一負載上,如兩晶體管分別接入適當相位的訊號,那 麼負載上所獲取的功率,將分別由兩晶體管共同作所供給(如圖二)即為全對稱 A 類推挽放大級的電路,在簡圖顯示兩晶體管均接有適當的偏壓,以確保訊號的振幅均落在特性曲線的直線範圍內。在無訊號輸入時,兩晶體流過相同的靜態電流,所 以輸出端的中點電壓為零值,負載 RL 上也就沒有電流流過,亦即處於平衡狀態,因在兩晶體輸入端雖然接入相同的訊號,但在圖二中上面所安置的晶體管為 NPN,下面則為 PNP,故當輸入訊號為正半波時,顯然將使上面 NPN 晶體管或的較大正向偏壓導電作用加強, Ic 增加,促使 VCE 下降;對於下面 PNP 晶體管來說,由於訊號極性使其正向偏壓受到削弱,導電減少, VCE 增加,由此可見由於正半波訊號加入,雖然將引致一晶體導電加強,另一則削弱,但兩晶體的作用都是有使原來平衡的輸出端電位有上升的趨勢,即所謂一推一挽, 而輸出電壓的產生,即為由於兩晶體的合成作用形成不平衡狀況時發生,一般推挽電路的輸出功率其容量幾較單端放大級大一倍,同時具有更低諧波失真,所以這就 是為什麼差不多所有真空管或半導體擴大機,末級強放電路接採取推挽式。
B 類放大
圖十二
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